Обжиг цинковых концентратов

Обжиг цинковых концентратов

Министерство Образования РФ

КРАСНОЯРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ и ЗОЛОТА

Кафедра: Металлургии Тяжелых Цветных Металлов

Группа: МЦ-01-1

Дисциплина: Металлургия свинца и цинка.

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему:

« Обжиг цинковых концентратов ».

Руководитель проекта: Колмаков А.А.

Разработал студент: Путинцева М.Ю.

КРАСНОЯРСК 2004 г.

1.Введение

2. Технологическая схема получения цинка

2.1 Обжиг цинковых концентратов в печах КС

2.1.1 Влияние условий обжига на технологические показатели процесса

2.1.2 Факторы, влияющие на качество Zn-огарка

2.2 Оборудование для обжига Zn-ых концентратов

3. Пути совершенствования процесса обжига в КС

3.1 Обжиг на дутье, обогащенном кислородом.

3.2 Обжиг с рассредоточенной подачей кислорода

3.3 Системы загрузки шихты, пылеулавливания, газоочистки и отвода тепла.

4. Теоретические основы процесса обжига

4.1 Химизм процесса обжига цинковых концентратов

4.2 Термодинамика процессов

4.3 Кинетика процессов обжига

5. Выбор и обоснование технологии

6. Расчет процесса обжига цинкового концентрата в печи кипящего слоя.

7. Выбор и расчет количества оборудования

8. Список литературы.

Введение:

Источником получения цинка является рудное сырье, которое обычно находится в сульфидном состоянии, а цинк представлен преимущественно сфалеритом (ZnS). Руды всегда комплексные, содержат кроме цинка свинец, медь, железо, серебро и др. В последнее время используется вторичное сырье в странах с высоким потреблением.

Примерно 50% мирового производства цинка расходуется на покрытие железных изделий с целью защиты их от ржавления.

Более 30% всего производства в мире цинка употребляется на производство сплавов. Сплав цинка с медью и оловом называется бронзой. Различные сорта бронз широко применяют в машиностроении. Сплавы цинка с медью и никелем называют мельхиором и нейзильбером. Благодаря способности давать сплавы с серебром и золотом, цинк используется в металлургии для извлечения благородных металлов.[6, c.187]

Цинковая пыль применяется для осаждения золота и серебра из растворов при их получении гидрометаллургическим путем, для очистки растворов от меди и кадмия перед электролизом растворов цинка.

Оксид цинка широко используют при производстве резины и ее обработке. Он улучшает качество резиновых шин и ряда других резиновых изделий. Широко используют чистый цинковый купорос при производстве корда-осных шин.

Соединения цинка, в частности его антимонид, используют в качестве интерметаллических полупроводников в приборах для превращения электрической энергии в тепловую. Антимонид цинка применяют также для точечного охлаждения детекторных приборов при изучении космоса.

В промышленности окисленный ZnS перерабатывают, получая ZnO гидрометаллургическим способом, состоящим в том, что водный раствор ZnSO4* aq, полученный кислотным растворением ZnO, подвергают электролизу при температуре электролита не более 40?C. [1, c.128, 216]

При гидрометаллургическом способе получения цинка обжиг ведут с получением огарка порошка при температуре 800-1000?С. Высокая дисперсность огарка способствует быстрому и полному выщелачиванию его в растворе серной кислоты.

Обжиг - гетерогенный процесс термической обработки цинкового сырья. Этот процесс был и остается основным способом окисления сульфидного сырья. Однако обширные исследования показали возможность окисления концентратов растворенным кислородом в подкисленных водных пульпах при T>100?C и Робщ>105 Па (автоклавные условия). Применительно к гидрометаллургической технологии это имеет свои достоинства: совмещение окисления и выщелачивания сырья, получение серы в элементарном виде и др. Но у этого способа есть существенные недостатки, сдерживающие его распространение. Таким образом, обжиг наиболее распространенный и используемый процесс. 1

В задачи данного курсового проекта входит рассмотрение процесса обжига цинковых концентратов, обеспечивающего высокие технико-экономические показатели, расчет необходимых показателей, выбор схемы обжига и выбор основного оборудования для выполнения производственной программы, а также расчет материального и теплового балансов.

Главная задача обжига - быстрей, полней и с наименьшими затратами превратить сульфидный цинк в оксидный, из которого цинк рациональней восстанавливать. При этом огарок надо получить в таком состоянии, чтобы он был наиболее благоприятен для осуществления последующих стадий технологий и в конечном счете обеспечил высокие технико-экономические показатели производства в целом.[1, c.134]

2. Технологическая схема получения цинка

Гидрометаллургический способ переработки обожженных цинковых концентратов заключается в растворении окиси цинка водным раствором серной кислоты и в последующем осаждении цинка электролизом. Поэтому гидрометаллургический способ называют иногда электролитическим. При производстве цинка электролизом цинковый концентрат предварительно подвергают окислительному обжигу. Полученный огарок выщелачивают отработанным электролитом, содержащим серную кислоту. Получаемый раствор сернокислого цинка очищают от вредных примесей и направляют на электролиз. При этом цинк осаждается на катоде, а в растворе регенерируется серная кислота, возвращаемая вновь на выщелачивание. [6, c.190]

Если обжиг цинкового концентрата предшествует выщелачиванию, то целью его является возможно более полный перевод сернистого цинка в оксид цинка, растворимую в разбавленных растворах серной кислоты.

Выщелачивание огарка осуществляется отработанным электролитом, содержащим серную кислоту и получаемым при электролизе раствора цинка. В процессе передела неизбежны потери серной кислоты (как механические, происходящие вследствие потери раствора, так и химические, вызванные тем, что серная кислота непроизводительно затрачивается на растворение примесей). Эти потери пополняют тем, что получают в огарке некоторое количество сульфата цинка, легко растворяющегося в воде. Для этой цели достаточно бывает иметь в обожженном концентрате около 2-4% сульфатной серы. [6, c.241]

Этим способом получают около 70% всего мирового производства цинка. Объясняется это тем, что электролитическим способом при хорошей механизации трудоемких процессов и высоком проценте извлечения получают цинк более чистый, чем дистилляционным. Кроме того, облегчается возможность комплексного использования ценных составляющих концентрата.

Сырьем является цинковый концентрат. В качестве исходного материала используют не только минеральное и вторичное, но также и цинкосодержащие продукты других производств: шлаки и пыли металлургических производств свинца, меди, олова, чугуна. Эти продукты гораздо бедней по цинку, чем цинковые концентраты и все же их включают в цинковое сырье. Цинковистые шлаки до недавнего времени считались отвальными продуктами, хотя в них содержится значительное количество цинка, особенно в свинцовых шлаках (10-17% цинка).

Технологическая схема получения цинка включает в себя следующие стадии:

Обжиг, который проводят для получения огарка для последующего выщелачивания. Кроме огарка получают также и газ, который отправляют на переработку для получения серной кислоты, которая в свою очередь участвует в процессе выщелачивания. Полученный огарок-порошок отправляют на выщелачивание. Он должен удовлетворять следующим требованиям:

Иметь достаточно низкое содержание сульфидной серы (<0.1-0.3%).

умеренное содержание растворимых сульфатов (<=2-4%).

высокое содержание мелкой фракции (-0,15мм).

умеренное содержание ферритного и силикатного цинка.

Эти требования вытекают из технологических задач гидрометаллургической переработки огарка. Чтобы достичь указанных целей, необходимо подобрать подходящий состав исходной шихты, температуру и состав газовой фазы для обжига Большое значение имеет аппаратурное оформление.

Высокая дисперсность огарка способствует быстрому и полному выщелачивании его в растворе серной кислоты. Целью процесса является- максимально возможное растворение цинка из исходного материала и отделение его от сопутствующих компонентов. Это избирательное растворенное и всегда дает нерастворимый осадок (кек). Применяют различные по температурным и концентрационным условиям типы выщелачивания: нейтральное, кислое, горячее кислое, горячее высококислое, автоклавное.1 Продуктами являются цинковый раствор и цинковый кек, содержащий трудно растворимые формы цинка, свинца, железа кремнезема, и породообразующих компонентов. [1, c.157]

Из очищенного раствора ZnSO4 металлический цинк получают путем электролиза. Этот передел- по существу является завершающий технологию, так как после переплавки электролитически восстановленного цинка получают товарный металл. Электролиз наиболее дорогой передел в производстве цинка (51-56% общих затрат на технологические процессы). Поэтому восстановление окисленного цинка из раствора ZnSO4 c получением качественного металла при возможно низких затратах - основная цель электролиза.

Основными показателями процесса являются удельный расход электроэнергии, кВт/ч катодного цинка; выход цинка по току, т.е. к.п.д. использования тока, %; качество катодного цинка.2[1, c.250]

Полученный металл проверяют на качество, маркируют и отправляют на реализацию или на другие цели.

2.1 Обжиг цинковых концентратов в печах КС

Первой стадией технологической схемы получения Zn является обжиг Zn концентратов в печах КС, основной целью которого является перевод нерастворимого ZnS в воднорастворимый ZnO. Обжиг позволяет применить к переработке цинковых концентратов гидрометаллургическую технологию. При обжиге стремятся получить огарок, соответствующий требованиям последующих гидрометаллургических процессов. Очень важно, чтобы продукт обжига был порошкообразным.

Многие отечественные заводы перерабатывают концентраты не одной, а нескольких обогатительных фабрик. Такие концентраты часто отличаются как по химическому, так и по гранулометрическому составу. Поэтому концентраты разных месторождений перед обжигом усредняют. Иногда концентраты обезвоживают до состояния пульпы (>30% влаги). Шихта в виде пульпы предпочтительна, когда цинковый завод находится рядом с обогатительной фабрикой, или когда в шихту идут сильно различающиеся по составу концентраты, Однако загрузка пульпы увлажняет отходящие газы, и это усложняет их переработку, усиливает коррозию оборудования и газоотводящих систем. Пульпу сложнее, чем сухую шихту равномерно распределить по кипящему слою.

В настоящее время в промышленности проводят обжиг в весьма производительных, экономичных и автоматизируемых печах кипящего слоя. При ней, как правило, находится аппарат для пылеулавливания, называемый циклоном. Они предназначения для грубой очистки газов от пыли, способны за одну стадию снизить запыленность отходящих газов с 140-160 до 3-6 г/м2. После циклонов дымососами разных типов отходящие газы отправляют через коллектор грязного газа на тонкую отчистку от пыли, позволяющих уменьшить запыленность до 0,1-0,2 г/ м2. Применяют электрофильтры. Очищенный газ идет на производство серной кислоты.1[2, c.91]

Достоинством окислительного обжига является следствием сжигания концентрата, приведенного в особое состояние псевдоожижения. Концентрат непрерывно загружают в рабочую зону печи, а продукт обжига самотеком удаляется из печи. Кипящий слой характеризуется постоянством температуры во всех его точках и интенсивным теплообменом (t=940-980?С). Необходимо также отметить, что кипящий слой характеризуется высокими значениями теплопроводности самого слоя, которая достигает 2500 Вт/м2 0С и более. Следовательно, выравнивание температуры по слою происходит с высокими скоростями.?2? При продувании снизу через слой сыпучего материала газа этот слой при определенных параметрах дутья (поток воздуха перед печью разделяется на два, один поступает в форкамеру, другой в основную часть печи) будет разрыхляться до такого состояния, что приобретет свойства жидкости. Псевдоожиженное состояние наступает при скорости газового потока, когда его подъемная сила будет уравновешиваться массой сыпучего материала. При минимальной

критической скорости слой сыпучего материала переходит в псевдожидкое состояние, а при максимальной во взвешенное состояние со свободным витанием частиц. В рабочем пространстве печи выше уровня кипящего слоя происходит обжиг части более мелких зерен во взвешенном состоянии. Для активации обжига этой составляющей шихты в зону взвешенного состояния подают вторичное дутье.

Рассмотрим процесс обжига в печи кипящего слоя более подробно с помощью химизма, термодинамики и кинетики.1[2, c.83]

2.1.1 Влияние условий обжига на технологические показатели процесса

В процессе обжига температура играет существенную роль. Температура может изменяться от 850 до 980 0C. При малой температуре процесс обжига проходит медленно и не полно, при высокой температуре материал оплавляется и обжиг проходит не качественно. Для регулирования температуры используют (охлаждая) водяные холодильники, получая пар, а также определенную температуру поддерживают скоростью загрузки. Чтобы концентрат при обжиге не укрупнялся, необходимо поддерживать температуру не более 970 0C. Умеренное содержание растворимой сульфатной серы достигается при температуре 950-970 0C. При повышении температуры одновременно возникает необходимость решения вопроса по отводу и утилизации избыточного тепла из зоны КС. При низких температурах обжиг сульфидных материалов способствует образованию сульфатов и вследствие того, что давление диссоциации при этих температурах ниже, и вследствие того, что давление Рso3 в печных газах выше.

На обжиг поступает сульфидный цинковый концентрат, часто после обогащения крупностью < 0,076мм и поэтому измельчению не подлежит. Необходимо усреднять шихту перед обжигом. На цинковых заводах усреднение осуществляют послойной шихтовкой разных концентратов и оборотных материалов на бетонированных площадках и последующим перемешиванием их с помощью грейферных кранов. В ряде случаев в схему подготовки цинковых концентратов включают магнитную сепарацию для удаления из них металлических предметов.

Концентрат в печь подают в виде пульп или в сухом виде. В виде пульпы шихту подают в том случае, когда завод находится рядом с обогатительной фабрикой, когда в шихту идут сильно различающиеся по составу концентраты, т. к. такую шихту легче перемешивать. Однако такую шихту труднее распределить по кипящему слою печи. Шихта увлажняет отходящие газы из-за чего их труднее перерабатывать, усиливается износ оборудования и газоотводящих систем.21 При большой влажности концентратов их подсушивают во вращающихся барабанных печах с форсуночным или топочным отоплением до остаточной влажности 6-8%. Для разрушения комков используют дисковые дробилки. [1, c.146]

Содержание кислорода в дутье не должно превышать 29-30%, так как растворимость цинка и удельная производительность при дальнейшем увеличении его концентрации растет не значительно. Кроме того, при содержании в дутье свыше 30% О2 трудно устранить возрастающий избыток тепла в слое, например при помощи трубчатых кессонов, применяемых на печах.2[2, c.93] Обогащение дутья кислородом до 30% позволяет повысить производительность обжига до 9т/м3, а содержание SO2 в газах достигает 14-16%; однако быстрее изнашивается футеровка печи и требуется интенсивный отвод тепла из-за возможности оплавления огарка, все это ограничивает добавление кислорода.[3, c.204]

Пылевынос при обжиге составляет 30-50% и зависит от дисперсности шихты и гидродинамического режима обжига. До 90-95% выносимой газовым потоком пыли улавливается в циклонах и 3-6%- в системе тонкого пылеулавливания. При переработке в кипящем слое гранулированного материала вынос пыли снижается до 5-25%. В большинстве случаев состав пылей и огарков одинаков.[4, c.123]

В зарубежной практике при высокой скорости дутья воздуха выпуск огарка через сливной порог невысок (18-40%), большая часть материала уносится в пыль.

Уменьшению пылевыноса способствует увеличение надслоевого объема, а также возврат циклонной пыли в КС (циклон возврата), что ведет к укрупнению пыли и повышает долю материала, выгружаемого из печи через сливной порог.

Скорость дутья также влияет на процесс. При повышении скорости дутья (до 600-675м3/м2ч) усиливается пылевынос из печи КС. В зарубежной практике при форсированном дутье воздуха выпуск огарка через порог невысок. Это увеличивает долю обжига шихты во взвешенном состоянии и снижает производительность по обожженному материалу, пригодному для выщелачивания, а также несет другие нежелательные последствия. В производстве нормальное состояние кипящего слоя создается при давлении 15-16 кПа, из них 4-6 кПа приходится на преодоление гидравлического сопротивления подины печи.

Конструкция печи влияет на показатели процесса. Чтобы избежать значительного пылеуноса и повысить степень десульфуризации, печи КС делают с большим объемом надслоевого пространства: высокие (12-17м) и расширяющиеся в верхней части (в 1,3-1,5 раза). Из-за этого скорость газа при выходе из КС значительно уменьшается и пыль оседает обратно или дольше витает в надслоевом пространстве и полней окисляется. Такая конструкция позволяет повысить концентрацию SO2 в отходящих газах (до 10%) и интенсифицирует обжиг. Обычно печи состоят из одной или нескольких рабочих камер. Последние получили наибольшее распространение в промышленности.3

В условиях псевдоожижения необходимо учитывать явление сегрегации, которое заключается в преимущественном накапливании частиц определенного размера (плотности) в различных по высоте зонах слоя. Сегрегация оказывает влияние на пылевынос из КС. Сепарация, основанная на сегрегации, требует более низких расходов ожижающего реагента, дает более четкое разделение на фракции и позволяет разделять смеси разнородных частиц одинакового размера не подающихся традиционному рассеву. Тем не менее использование сегрегации сдерживается необходимостью поддержания параметров в узких пределах и несовершенством аппаратурного оформления.

Качество огарка определяется соответствием его указанным выше требованиям. Чтобы в огарке содержалось не более 0,1-0,3% сульфидной серы, необходимо достичь степени десульфуризации концентрата при обжиге 90-99,7%. Столь высокая степень десульфуризации сопряжена на завершающей стадии окисления зерен концентрата с малыми скоростями процесса: ничтожна и сильно экранирована окалиной поверхность сульфидного ядра в окисленных зернах. Поэтому быстротечное горение зерна не обеспечит столь низких остаточных содержаний сульфидной серы в огарке. Это достигается благодаря длительному пребыванию в КС основной части материала. Например, для печи с подом 72м2, производительностью 575т/сут. и пылеуносом 60% (зарубежная практика) время пребывания 8,6 часов, найдено по формуле ф1/2=M/kвm:

где М- количество огарка в КС;

m - производительность печи по концентрату;

k - коэффициент сокращения массы огарка по сравнению с массой исходного концентрата (0,85-0,90);

в - доля концентрата, которая не уносится из печи КС в пыль.

Для зарубежной практики время пребывания 8,5-10ч, а для отечественной характерно время пребывания 12-14ч. Длительное пребывание материала в печи позволяет достичь необходимую степень десульфуризации.

Умеренное содержание растворимой сульфатной серы (<2-4%) достигается благодаря тому, что при 950-970 0C вторичные сульфаты цинка образуются в малой степени даже при повышенных Сso2 в газовой фазе. Чтобы концентрат при обжиге не укрупнялся, необходимо, чтобы температура в КС не превышала 970 0C.

Для нормальной работы системы теплоотъема и пылеулавливания серьезные помехи создают пылевые отложения в пылегазовом тракте. Повышение Сso2 в отходящих газах вызывает сульфатизацию и упрочнение этих пылевых отложений, что затрудняет их удаление. Сульфатизация отложений становится возможной по мере охлаждения пыли.[2, c.92]

2.1.2 Факторы, влияющие на качество Zn-огарка

Огарок не должен содержать труднорастворимых в слабокислых растворах ферритов цинка, силикатов цинка, способствующих загрязнению раствора кремнекислотой.

Ферритообразование непосредственно влияет на степень прямого извлечения цинка из обожженного концентрата в раствор. Если сульфиды цинка и железа присутствуют в концентрате в виде марматита (mZnS*nFeS), т.е. в изоморфной кристаллической форме, то каждая массовая часть железа нацело связывает в феррит при окислительном обжиге 0,58 массовой части цинка. В случае если сульфид железа находится в структурно-свободном состоянии (пирит) или связан с другим сульфидом (халькопирит), степень ферритообразования будет определяться температурой процесса и полнотой контакта соединений железа и цинка.

Предупредить образование феррита цинка при температуре выше 650°С практически невозможно, однако он может частично разрушаться сернистым и серным ангидридами. Поэтому для снижения ферритообразования необходимо при обжиге создавать условия, способствующие повышению концентрации в газовой фазе сернистого и серного ангидридов и разъединению соединении цинка и железа. В печах для обжига в кипящем слое создаются эти условия, однако снизить заметно степень ферритообразования при этом практически не удается.

Кремнезем является вредной примесью в цинковых концентратах и содержания его в них стремятся снизить до минимума. В процессе обжига кремнезем образует с окислами тяжелых цветных металлов (цинка, свинца) легкоплавкие соединения-силикаты, вызывающие оплавление материала в печи. [5, c.31,32]

При значительном содержании в огарке растворимых силикатов приходиться иногда прибегать к методу «обратного» выщелачивания обожженного продукта при очень низкой кислотности, чтобы предотвратить отрицательное действие кремнезема на гидрометаллургические операции.

Наибольшее количество растворимого кремнезема образуется за счет ортосиликата цинка. Снижение температуры обжига до некоторого передела позволяет уменьшить образование ортосиликата цинка и улучшить физические свойства пульпы при последующем выщелачивании огарка.[5, c.34]

2.2 Оборудование для обжига Zn-ых концентратов

Печь для обжига цинковых концентратов в кипящем слое (рис. 1) представляет собой цилиндрическую вертикальную шахту иногда переменного сечения, диаметром 6-8 м и высотой 9-11 м, поставленную на бетонный фундамент. Шахта, сваренная из стальных листов толщиной 10-12мм, футерована внутри шамотным кирпичом. Толщина футеровки равна 500 мм. Наиболее ответственной частью печи является воздухораспределительная подина с воздушной коробкой. Подина должна быть беспровальной, жаростойкой, простой в изготовлении и обеспечивать равномерное распределение поступающего воздуха по всему сечению печи.

В отечественной практике принята конструкция подины, представляющая собой стальной лист, в который на расстоянии 250-300мм между центрами вставлены чугунные сопла; пространство между соплами залито жаропрочным бетоном слоем 200 мм. Сопла имеют различную конфигурацию. Наиболее часто используют сопла грибкового типа, имеющие от 4 до 8 отверстий диаметром 4-5 мм. На каждой печи устанавливают 1500-2000 таких сопел. Находят также применение сопла щелевой конструкции.

Страницы: 1, 2, 3